无铅钙钛矿型半导体的光伏特性研究

The halide perovskite semiconductors have recently been proposed as a strong candidate for photovoltaic applications. However, the toxicity issue of the lead remains as a great obstacle for the future commercial applications. Among all the lead-free perovskite semiconductors, Sn-based perovskite has been considered as the most promising alternative because of the comparable metallic properties between Sn and Pb. Therefore, Sn-based (Pb-free) perovskite solar cell has drawn intensive attention currently. However, the highest power conversion efficiency of Sn-based perovskite solar cell is much lower than that of the Pb-based case. In addition, what factors which result in low power conversion efficiency for Sn-based perovskite is still unknown. In this project, utilizing the first-principle calculation methods, we will make a systematic study on the relationship between the defects and the power conversion efficiency for the Sn-based perovskite semiconductors. Moreover, we also plan to develop a surface energy calculation method for perovskite semiconductors, and study the surfaces of those halide perovskite semiconductors. Based on our investigations, we will theoretically suggest an effective scheme which could be used to improve the power conversion efficiency for Pb-free halide perovskite solar cell materials.

钙钛矿型太阳能电池材料在最近几年受到了国际学术界的高度关注，但材料中含有毒元素铅，将来会极大的限制其投入到大规模商业化应用。因此用金属性质相近的Sn(Ge)元素替换Pb所得到的无铅钙钛矿型半导体成为了目前的研究热点，但无铅钙钛矿型太阳能电池目前的效率显著低于铅基的太阳能电池，其具体的微观机制尚不清楚。本项目将从第一性原理计算的方法出发，对无铅钙钛矿型半导体的缺陷物理性质做全面系统的研究，并发展出一套钙钛矿型材料表面能的计算方法，研究该材料的表面性质，从缺陷和表面性质的微观角度，确定制约其太阳能电池效率提高的微观原因，并解释目前实验上诸多现象的微观机理。在此基础上，从理论上设计出一套通过对样品合成条件的调控或者人工掺杂的方法来改良其光伏性质的方案，为实验上进一步突破其太阳能电池效率瓶颈提供理论支持。

以CH3NH3PbI3为代表的铅基钙钛矿型半导体具有诸多优异的光伏性质，成为了目前最有潜力的太阳能电池材料候选之一。但含铅材料对环境不太友好，因此无铅型的钙钛矿材料受到了强烈的关注。本项目旨在对无铅钙钛矿型材料的光伏性质进行研究，利用第一性原理计算方法，为改良无铅钙钛矿型材料的光伏性能提供切实的理论方案。在本项目的资助下，项目取得了一系列成果。首先，我们分别对无铅型CsPdBr3和CsPdI3的光伏性质进行了研究，包括电子结构、光吸收系数、有效质量、能带偏移、缺陷性质以及合金性质等。一方面证明了两者优异的光伏性质，另一方面也为合成其太阳能电池提供了理论方案。为了改良Pb基钙钛矿型半导体的光伏性质，我们也对全无机CsPbI2Br半导体的光伏性质进行了研究，深入的对其光伏性质进行了分析。第二，除了无铅钙钛矿型材料，我们也对其它无铅且廉价的半导体进行了探讨，如NaSbS2和NaSbSe2。第三，我们还在实现太阳能电池的无金属化方面进行了努力。通过和实验组合作，我们合成出一种窄带隙的三碘化物DMEDA·I6，其具有很好的光伏性质，有希望通过此半导体实现太阳能电池的无金属化。